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Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand
von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei
zeigen:
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Fig. 1 eine Bodenkolonne mit hochgezogenen Ablaufschächten nach dem
Stand der Technik, und
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Fig. 2 eine erfindungsgemäße Ausführung eines Ablaufschachtes.
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In Fig. 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausführung einer
Bodenkolonne 1 dargestellt, wie sie zum Stoff- und Wärmeaustausch zwischen einer
Flüssigkeit 2 und einem Dampf 7 eingesetzt wird. in derartigen Kolonnen fließt
üblicherweise die Flüssigkeit 2 von oben nach unten ab, während der Dampf 7 von
unten nach oben entgegenströmt. Die Flüssigkeit 2 wird oben auf die Kolonne 1
aufgegeben und strömt quer über den obersten Stoffaustauschboden 3a, um dann
über ein Wehr 4 in einen Ablaufschacht 5a einzutreten. Der Ablaufschacht 5a ist am
unteren Ende mit Öffnungen 6 versehen, durch die die Flüssigkeit 2 auf den darunter
liegenden Stoffaustauschboden 3b fließt. Die Flüssigkeit 2 strömt dann quer über den
Stoffaustauschboden 3b, um über den Ablaufschacht 5b den nächsten
Stoffaustauschboden 3c zu erreichen. Auf diese Weise wird die Flüssigkeit 2 langsam
durch die gesamte Kolonne 1 geführt.
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Der Dampf 7 wird der Kolonne 1 am unteren Ende zugeführt und steigt in der Kolonne
1 auf. Die Stoffaustauschböden 3a, 3b, 3c besitzen jeweils Öffnungen 8, durch die der
Dampf 7 durchtreten kann und mit der über den jeweiligen Stoffaustauschboden 3a,
3b, 3c strömenden Flüssigkeit 2 in Kontakt kommt. In der Dampf-Flüssigkeit-
Kontaktzone auf den Stoffaustauschböden 3a, 3b, 3c entsteht eine Sprudelschicht 9, in
der ein intensiver Stoff- und Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit 2 und dem
Dampf 7 stattfindet.
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Für eine ordnungsgemäße Funktion der Stoffaustauschböden 3a, 3b, 3c ist die richtige
Ausführung der Ablaufschächte 5a, 5b von Bedeutung. Der Querschnitt der
Ablaufschächte 5a, 5b muss einerseits hinreichend groß gewählt werden, damit die
Flüssigkeit 2 auch bei der maximalen Belastung der Kolonne 1 noch sicher abfließen
kann. Auf der anderen Seite muss aber sichergestellt werden, dass der Dampf 7 durch
die Öffnungen 8 in den Stoffaustauschböden 3a, 3b, 3c nach oben aufsteigt und nicht
den Weg durch die Ablaufschächte 5a, 5b nimmt. Vor allem bei minimaler
Flüssigkeitsbelastung muss dies sichergestellt werden.
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Zum Teil werden daher die Ablaufschächte so weit nach unten gezogen, dass sie tief
genug in die Flüssigkeit auf dem nächst tieferen Boden eintauchen. Der hierfür
notwendige Flüssigkeitsstand auf den Stoffaustauschböden 3a, 3b, 3c wird durch
Wehre 4 gewährleistet. Eine derartige Ausführung hat jedoch den Nachteil, dass der
Bereich des Stoffaustauschbodens, der sich direkt unterhalb des Ablaufschachtes
befindet, nicht für den Stoff- und Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit und dem
Dampf zur Verfügung steht.
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Die ebenfalls bereits aus dem Stand der Technik bekannte Ausführung gemäß Fig. 1
ist insoweit verbessert, dass die Ablaufschächte 5a, 5b im Verhältnis zu den darunter
liegenden Stoffaustauschböden 3b, 3c soweit hochgezogen sind, dass sie nicht in die
auf dem darunter liegenden Stoffaustauschboden 3b, 3c strömende Flüssigkeit
eintauchen. Zwischen dem unteren Ende der Ablaufschächte 5a, 5b und dem
entsprechenden Stoffaustauschboden 3b, 3c verbleibt jeweils ein genügend großer
Zwischenraum, in dem sich eine Sprudelschicht 9 ausbilden und ein Stoff- und
Wärmeaustausch zwischen der auf dem Stoffaustauschboden 3b, 3c strömenden
Flüssigkeit 2 und dem aufsteigenden Dampf 7 stattfinden kann. Die für die Rektifikation
zur Verfügung stehende Fläche wird dadurch vergrößert.
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Der Eintritt von Gas 7 in die Ablaufschächte 5a, 5b wird durch einen dynamischen
Flüssigkeitsverschluss verhindert. Hierzu sind die Ablaufschächte 5a, 5b am unteren
Ende mit Öffnungen 6 versehen, die so dimensioniert sind, dass eine genügend große
Flüssigkeitsmenge in den Ablaufschächten aufgestaut wird und das Eindringen von
Dampf 7 verhindert.
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Derartige dynamische Flüssigkeitsverschlüsse führen jedoch dann zu Problemen,
wenn die Kolonne unter sehr kleiner Last gefahren wird, d. h. wenn nur wenig
Flüssigkeit und / oder Gas in der Kolonne einander entgegenströmen. In diesem Fall
bildet sich in den Ablaufschächten 5a, 5b keine genügend große Flüssigkeitsschicht
aus, um die Ablaufschächte 5a, 5b für den Dampf zu verschließen.
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Erfindungsgemäß wird daher kein dynamischer, sondern ein statischer
Flüssigkeitsverschluss der Ablaufschächte 5a, 5b gewählt. In Fig. 2 ist eine solche
Ausführung eines Ablaufschachtes 5a für eine Bodenkolonne dargestellt. Der
Ablaufschacht 5a ist mit dem entsprechenden Stoffaustauschboden 3a wiederum so
verbunden, dass sich ein Wehr 4 konstruktiv bedingt ergibt, welches einen Teil der
Flüssigkeit 2 auf dem Stoffaustauschboden 3a aufstaut. Der Ablaufschacht 5a ist
gegenüber dem nächst tieferen Stoffaustauschboden 3b hochgezogen, um den unter
dem Ablaufschacht 5a liegenden Bereich des Stoffaustauschbodens 3b ebenfalls für
den Stoffaustausch nutzen zu können.
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Der erfindungsgemäße Ablaufschacht 5a weist einen statischen Flüssigkeitsverschluss
auf. Hierzu ist unterhalb des Ablaufschachtes 5a eine Auffangtasse 10 angeordnet,
deren Seitenwände 11 so weit hochgezogen sind, dass der Ablaufschacht 5a teilweise
in die Auffangtasse 10 eintaucht. Die Unterkante des Ablaufschachtes 5a befindet sich
somit unterhalb der Oberkante der Seitenwände 'I 1. Es ist auch möglich, die
Ablaufschachtwände mit der Oberkante der Seitenwände 11 der Auffangtasse 10
enden zu lassen.
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Beim Betrieb der Kolonne 1 sammelt sich in der Auffangtasse 10 die durch den
Ablaufschacht 5a herabströmende Flüssigkeit 2 so lange, bis diese über die
Seitenwände 11 abfließen kann. Die unteren Enden des Ablaufschachtes 5a tauchen
dann in die in der Auffangtasse 10 befindliche Flüssigkeit ein und die Auffangtasse 10
bildet einen siphonartigen Flüssigkeitsverschluss des Ablaufschachtes 5a.
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Die Auffangtasse 10 ist ferner von einer Sammeltasse 12 umgeben. Die Sammeltasse
12 ist am Ablaufschacht 5a befestigt und umhüllt die Auffangtasse 10 so, dass
sämtliche aus der Auffangtasse 10 austretende Flüssigkeit 2 zunächst in die
Sammeltasse 12 eintritt. Der Boden 13 der Sammeltasse 12 ist mit mehreren
Abtropföffnungen 14 versehen, durch die die Flüssigkeit 2 die Sammeltasse 12 wieder
verlässt und auf den nächst tieferen Stoffaustauschboden 3b energiegebremst abtropft.
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Die Abtropföffnungen 14 sind in einem zentralen Bereich um die Symmetrieachse 15
des Ablaufschachtes 5a angeordnet. Die Sammeltasse 12 bewirkt dadurch, dass die
aus der Auffangtasse 10 austretende Flüssigkeit wieder zusammengeführt wird. Die
Gesamtquerschnittsfläche der Öffnungen 14 wird dabei so groß gewählt, dass der
Strömungswiderstand für die Flüssigkeit im Verhältnis zu dem übrigen Strömungsweg
durch die Auffangtasse 10 und die Sammeltasse 12 nicht weiter eingeschränkt wird
und sich in der Sammeltasse 12 keine Flüssigkeit aufstaut.
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Andererseits bewirken die Öffnungen 14 eine vorteilhafte Verringerung der
Strömungsgeschwindigkeit der austretenden Flüssigkeit 2, so dass die Öffnungen 14
auch nicht zu groß ausgeführt werden sollten. Hierdurch wird der Impulseintrag in
vertikaler Richtung auf den Boden 3b verringert.
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Am oberen Ende der Sammeltasse 12 sind Öffnungen 16 vorgesehen, die den Austritt
von Gas aus dem Inneren der Sammeltasse 12 erlauben und zur Entlüftung des
Inneren der Sammeltasse 12 dienen. Die Öffnungen 16 sind jedoch relativ klein
dimensioniert, um für den Dampf den Strömungswiderstand durch die Sammeltasse 12
zu erhöhen und diesen zu zwingen, neben dem Ablaufschacht 5a aufzusteigen.
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Durch die erfindungsgemäße Zusammenführung der Flüssigkeit mittels der
Sammeltasse 12 auf einen engen Bereich wird der für den Stoff- und Wärmeaustausch
genutzte Bereich des nächst tieferen Stoffaustauschbodens 3b vergrößert. Die
Flüssigkeit tropft in einem relativ engen Bereich auf den Stoffaustauschboden 3b auf
und strömt auf maximiertem Strömungsweg in Richtung des nächsten
Ablaufschachtes. Während dieser Querströmung kommt sie in intensiven Kontakt mit
dem durch die Öffnungen 8 in dem Stoffaustauschboden 3b aufsteigenden Dampf.
Ohne die Sammeltasse 12 würde die Flüssigkeit in einem Bereich unterhalb des
Randes des Ablaufschachtes 5a auf den Stoffaustauschboden 3b auftreffen und von
dort von dem Ablaufschacht 5a weg zum nächsten Ablaufschacht strömen. Unterhalb
des Ablaufschachtes 5a würde sich zwar auch Flüssigkeit 2 ansammeln, diese würde
aber eine Art stehendes Flüssigkeitsbad ausbilden. Durch die Erfindung wird dagegen
der wirksame Bereich des Stoffaustauschbodens 3b für den Stoff- und
Wärmeaustausch deutlich vergrößert.
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Ist der Ablaufschacht 5a, wie in Fig. 2 dargestellt, in der Mitte oder Halbmitte des
Stoffaustauschbodens 3a angeordnet, so wird die Flüssigkeit 2 mittels der
Sammeltasse 12 vorzugsweise zentral unterhalb des Ablaufschachtes 5a
zusammengeführt und auf den darunter liegenden Boden 3b aufgegeben. Ist der
Ablaufschacht dagegen am Rand der Kolonne angeordnet, so kann es auch vorteilhaft
sein, die Flüssigkeit nicht mitten unter dem Ablaufschacht, sondern unmittelbar am
Rand der Kolonne auf deh nächst tieferen Boden abfließen zu lassen. So kann der
Querströmungsweg für die Flüssigkeit auf dem nächst tieferen Boden weiter vergrößert
werden.
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Die Erfindung eignet sich für alle Arten von Bodenkolonnen, insbesondere für
Kolonnen mit Siebböden, Glockenböden oder Ventilböden. Die Böden können sowohl
einflutig, zweiflutig, dreiflutig, vierflutig oder als Vielschachtböden ausgeführt sein.
Kolonnen der erfindungsgemäßen Bauart sind für alle Anwendungen, bei denen
Bodenkolonnen eingesetzt werden, von Vorteil.